Λειτουργική φασματοσκοπία κοντά στο υπέρυθρο

Πύλιος, Θωμάς

Functional near-infrared spectroscopy

Διπλωματική εργασία

Author

Πύλιος, Θωμάς

Date

2023-07

Advisor

Σκουρολιάκου, Αικατερίνη

Θωμάς_Πύλιος_15093_KS_NK_PL.pdf (1.543Mb)

Keywords

Λειτουργική φασματοσκοπία

Abstract

Η λειτουργική φασματοσκοπία κοντά στο υπέρυθρο (Functional near-infrared spectroscopy - fNIRS) είναι μια μη επεμβατική τεχνική νευροαπεικόνισης που μετρά τις αλλαγές στα επίπεδα οξυγόνωσης του αίματος στον εγκέφαλο. Η τεχνική βασίζεται στην αρχή ότι όταν εμφανίζεται νευρική δραστηριότητα σε μια συγκεκριμένη περιοχή του εγκεφάλου, η ροή του αίματος και τα επίπεδα οξυγόνωσης αυξάνονται σε αυτήν την περιοχή. Το fNIRS μετρά αυτές τις αλλαγές στα επίπεδα οξυγόνωσης του αίματος εκπέμποντας εγγύς υπέρυθρο φως στο τριχωτό της κεφαλής και μετρώντας το φως που μεταδίδεται και επιστρέφει μέσω του ιστού. Το fNIRS μπορεί να παρέχει πολύτιμες γνώσεις για τη δραστηριότητα του εγκεφάλου και τις γνωστικές διαδικασίες. Έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι άλλων τεχνικών νευροαπεικόνισης, όπως η μη επεμβατικότητα, η φορητότητα και η καταλληλότητά του για χρήση σε ένα ευρύ φάσμα πληθυσμών, συμπεριλαμβανομένων των βρεφών και των ατόμων με κινητικές διαταραχές. Είναι επίσης σχετικά ασφαλές, καθώς δεν χρησιμοποιεί ιονίζουσα ακτινοβολία ή μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, το fNIRS έχει επίσης ορισμένους περιορισμούς. Έχει χαμηλότερη χωρική ανάλυση σε σύγκριση με άλλες τεχνικές νευροαπεικόνισης όπως το fMRI, που σημαίνει ότι δεν μπορεί να παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες για συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου. Έχει επίσης περιορισμένο βάθος διείσδυσης, που σημαίνει ότι δεν μπορεί να μετρήσει τις βαθιές δομές του εγκεφάλου. Το fNIRS είναι επίσης ευαίσθητο σε εξωεγκεφαλικά σήματα όπως η αιμοδυναμική του τριχωτού της κεφαλής και του κρανίου, τα οποία μπορούν να μολύνουν το σήμα και να επηρεάσουν την ποιότητα των δεδομένων. Παρά αυτούς τους περιορισμούς, το fNIRS είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για τη μελέτη της εγκεφαλικής λειτουργίας και έχει χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές όπως η γνωστική νευροεπιστήμη, η κλινική νευροαπεικόνιση και η διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή. Οι συνεχείς εξελίξεις στο υλικό και τις τεχνικές ανάλυσης συνεχίζουν να ενισχύουν τις δυνατότητες του fNIRS, καθιστώντας το ένα όλο και πιο δημοφιλές και σημαντικό εργαλείο στον τομέα της νευροεπιστήμης

Abstract

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a non-invasive neuroimaging technique that measures changes in blood oxygenation levels in the brain. The technique is based on the principle that when neural activity occurs in a certain area of the brain, blood flow and oxygenation levels increase in that area. fNIRS measures these changes in blood oxygenation levels by shining near-infrared light onto the scalp and measuring the light transmitted through the tissue. fNIRS can provide valuable insights into brain activity and cognitive processes. It has several advantages over other neuroimaging techniques, such as its non-invasiveness, portability, and suitability for use in a wide range of populations, including infants and individuals with movement disorders. It is also relatively safe as it does not use ionizing radiation or magnetic fields. However, fNIRS also has some limitations. It has a lower spatial resolution compared to other neuroimaging techniques such as fMRI, meaning it cannot provide detailed information about specific brain regions. It also has a limited depth of penetration, meaning it cannot measure the deep structures of the brain. fNIRS is also sensitive to extracerebral signals such as scalp and skull hemodynamics, which can contaminate the signal and affect data quality. Despite these limitations, fNIRS is a valuable tool for studying brain function and has been used in diverse applications such as cognitive neuroscience, clinical neuroimaging, and brain-computer interfaces. Continuous advances in hardware and analysis techniques continue to enhance the capabilities of fNIRS, making it an increasingly popular and important tool in the field of neuroscience.